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守时系统国际时间比对数据融合方法研究

王威雄  
【摘要】:高精度时间比对是国际标准时间UTC产生中的重要环节,也是精密时间用户向国家标准时间溯源的基本手段。UTC(NTSC)作为全球参与UTC计算的重要守时系统之一,其国际比对链路必须保证连续、稳定、可靠运行。UTC(NTSC)基准系统现有多条相互独立的卫星双向时间比对(TWSTFT)和GNSS时间比对链路,但在UTC比对中目前仍以单一手段为主,在链路切换或故障时可靠性还有提升空间。因此,如何融合现有冗余时间比对数据来提高国际时间比对链路的稳定性和可靠性是当前研究的一项重要工作,另外,对多模GNSS时间比对进行融合处理从而提升单系统时间比对性能,以及将GNSS时间比对与TWSTFT融合来改善TWSTFT中的周日效应也是当前时频领域的热点问题。本文利用我国时间基准UTC(NTSC)系统现有的多种时间比对手段,通过不同的数据融合算法就时间比对数据融合涉及的时间比对原理及误差项修正、融合模型的建立及参数估计、对融合结果的性能评估等方面进行研究,并采用实际算例进行验证。主要研究工作和贡献如下:(1)介绍了用于融合处理的时间比对技术的基本原理和性能评估方法。首先梳理了TWSTFT、GNSS共视和精密单点定位(PPP)时间比对的基本原理和误差项来源,具体给出了每种方法对应的误差修正方式;分析了直接校准和间接校准的硬件时延校准方法,重点讨论了间接校准中利用GNSS移动校准站以及基于链路双差校准的流程及相应的不确定度分析,并利用实际数据进行了验证。结果表明,利用GNSS移动校准站实现了对亚欧TWSTFT链路的成功校准,实际校准不确定度在当前1.5ns的校准不确定度范围内。已校准的PPP链路可通过链路双差校准的方式对GPS共视链路进行校准,校准不确定度约为3.0ns。(2)研究了基于Vondrak-Cepek组合滤波的北斗共视和TWSTFT融合方法。为提高守时链路可靠性并减小卫星双向时间比对中的周日效应,利用北斗共视链路没有周日效应的特点,通过Vondrak-Cepek组合滤波方法对不同基线长度链路间的北斗共视时间比对结果分别与硬件SATRE TWSTFT和软件接收机SDR TWSTFT结果进行了融合处理。采用时间偏差和幅值频谱两个指标以及GPS PPP时间比对链路分别对融合结果进行内外符合评估。结果表明,经过Vondrak-Cepek滤波的融合结果中周日效应基本消失,融合后24小时频谱分量幅值相比融合前最少减小84%以上;融合结果平均时间为1d的时间偏差稳定度相比融合前SATRE和SDR TWSTFT的稳定度明显提高,对长基线NTSC-PTB的平均增益因子为1.83(1为零增益),对短基线NTSC-NIM链路的平均增益因子为1.64;融合解与GPS PPP链路差值(DCD)结果的标准差也明显减小,NTSC-PTB SATRE双向链路DCD标准差由融合前0.95ns减小为0.35ns,NTSC-NIM SATRE双向链路由1.02ns减小为0.61ns,融合后链路噪声得到明显改善。(3)从Kalman滤波方法“预测-修正”的思想出发,提出了基于Kalman滤波的TWSTFT和GPS PPP时间比对融合算法。以短期稳定度好且分辨率高的GPS PPP结果的一阶差分量作为长期稳定度好但分辨率低的TWSTFT结果的平均频率变化量,与TWSTFT数据一起作为Kalman滤波的组合观测量,通过滤波参数的选取优化获得融合观测的状态估计,即融合时间比对结果,并从质量控制方面对Kalman滤波观测值残差的正态性进行了检验与分析。通过在不同基线长度上的试验结果表明,Kalman滤波观测值残差近似服从正态分布,融合结果中的周日效应基本消失且短期稳定度明显提高,在平均时间32小时内对不同基线长度的SATRE TWSTFT的TDEV增益因子约为5 8,对SDR TWSTFT的增益因子约为4 6;融合结果与参考链路的DCD偏差小于300ps,保证了融合解与参考链路的一致性,提升了国际时间比对链路的可靠性。(4)利用联邦滤波算法并行化计算和高容错性的特点,提出了基于容错联邦Kalman滤波的多模GNSS共视时间比对融合算法。随着全球各GNSS系统的不断建设,GNSS观测数据充分冗余,多模GNSS融合时间比对成为当前热点之一。本文首先在长短基线上对GPS、Galileo、GLONASS以及北斗二号系统的共视性能进行了分析,结果表明Galileo系统共视性能优于或与GPS系统相似,优于当前星座状态下的GLONASS和北斗二号系统;采用已校准的GPS PPP链路对单星座结果进行双差校准后,利用各链路特性对联邦Kalman滤波主滤波器和子滤波器关键参数进行赋值,同时在Kalman滤波的状态方程中引入量测噪声系数来对量测噪声进行动态调整,当子系统发生故障时对故障进行实时检测和隔离,最后获得性能更佳的融合结果;将融合解与单Galileo共视、标准差加权以及GPS PPP时间比对结果进行对比分析,通过不同基线长度上的大量算例表明,相较其他方法的时间比对结果,容错联邦Kalman滤波融合解在减小时间比对链路噪声水平,提高时间比对链路稳定度和可靠性上都具有明显的优势。


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